MIMO RF前端模塊：開拓新的市場領域

　　802.11n的優(yōu)勢

　　與現(xiàn)有的無線數(shù)據(jù)標準比較，802.11n具有多項優(yōu)勢。802.11n的數(shù)據(jù)傳輸率為200 到 400 Mbps，能提供一條足夠寬的數(shù)據(jù)信道，實現(xiàn)家居聯(lián)網(wǎng)和下載，以及媒體內容發(fā)送 (media distribution)。此外，該標準還有兩項優(yōu)點 (雖然兩者往往因為速度更高這一優(yōu)勢而為人所忽略)，就是其頻率范圍比現(xiàn)有802.11a/b/g 標準的增大了 20% 到 30%，并具有對 802.11a/b/g 的后向兼容性。后向兼容性能讓使用者在家居、辦公室和旅途應用 (雖然數(shù)據(jù)傳輸率和頻率范圍可能比完整 MIMO 解決方案的小) 中使用相同的設備。802.11n客戶卡 (client card) 于所有的可能情況下都會使用802.11n；而在現(xiàn)有熱點 (hotspot) 則退回到802.11a/b/g標準。與其它的競爭方案相比，802.11n最終的優(yōu)勝之處是它使用和 802 a/b/g 標準相同的頻譜，都是2.4 和 5 GHz 。這就讓制造商能夠充分享受現(xiàn)有工藝技術、組件和供應商所帶來的規(guī)模經(jīng)濟效益 (economies of scales)，使高速網(wǎng)絡的費用更為低廉。

　　RF設計的技術挑戰(zhàn)

　　分配式誤差向量幅度 (Error Vector Magnitude, EVM) 對總吞吐量和性能是非常重要的。一個完整的前端模塊在額定輸出功率下應該具有小于3% (-30 dB) 的分配式 EVM (contributed EVM)。在MIMO中，則要求更好的線性度。為什么呢？因為要抽取信道模型，您需要有一個非常好的發(fā)射器。如果用作信道模型抽取的發(fā)射器的EVM很差，那么 MIMO 的性能便會大打折扣。不過，單憑 EVM 標準尚不足夠。前端模塊的 EVM 特性應該盡可能接近如圖 1a 所示的指數(shù)曲線，而不是像圖1b 那樣有一個“最佳點”(sweet spot)。圖 1b 中的特性曲線有一個 1 或 2 dB的最佳點，功率放大器 (PA) 必須在這個點上工作，提供規(guī)定性能。在最佳點以上或以下，工作前端模塊都會產生額外的 EVM，并降低吞吐量。這里主要的問題在于此最佳點會隨工藝、電壓、匹配電路以及溫度而漂移，因此 EVM的分配會增大，而吞吐量則下降。具有這類性能的前端模塊將很難應用在需要保證最低性能標準的產品中。

　　此外，當不同地區(qū)對于輸出功率限制有不同的條例標準時，一個具有指數(shù)EVM特性的前端模塊就可以讓您在全球各地使用相同的設計。在設計時以用于輸出功率最高的地區(qū)為目標，而當該設計用于其它地區(qū)時，其性能便可以提高。不過，對具有圖1b所示 EVM 特性的前端模塊而言，情況卻并非如此。

　　對于 MIMO 來說，指數(shù) EVM 特性提供了類似的優(yōu)勢。某些條例機構把這一功率定義為所有天線的總功率。所以，即使前端模塊能夠為每條天線提供較大的輸出功率，但輸出功率也可能需要補償 3-6 dB以符合條例要求。然而在同樣的產品中，如果使用原有 802.11 a/b/g 標準的單一天線時，使用者都希望能以最高的輸出功率進行發(fā)射。如上所討論，在不同功率級之下以圖 1b 中特性工作將引起性能下降。

　　外形尺寸

　　隨著標準化產品尺寸日漸縮小，無線標準也變得越來越復雜，并要求具有更多的電路和更高的功耗，這實實在在地為 RF 設計人員帶來了極端的挑戰(zhàn)。

　　最新外形尺寸的 PCIE 迷你卡，只有目前占WLAN市場主導地位的迷你PCI卡大小的一半。迷你PCI 卡廣泛應用于筆記本計算機、個人計算機和接入點。這些現(xiàn)有設計只使用了一個 RF 發(fā)射鏈路和一個RF接收鏈路；但 MIMO 802.11n 應用卻需要兩個 RF 發(fā)射鏈路和兩個 RF 接收鏈路，如圖2所示?？紤]到組件的數(shù)量，加上為了生產需要而設立的禁止布線區(qū)域 (keep out areas)，若要在PCIE 迷你卡的尺寸上實現(xiàn)這些電路實在極富挑戰(zhàn)性。然而，這正是 MIMO 前端模塊的真正優(yōu)勢所在：經(jīng)過全面測試的單一 RF解決方案，集成了從收發(fā)器輸出到天線所需的全部電路。

　　要比較前端模塊的集成度，進行嚴格的同模擬較是很重要的。有時，功能性(functionality) 會被 RF 功能 (輸出功率、EVM) 的強大優(yōu)勢所掩蓋，但它對成本和關鍵的電路板空間卻是非常重要的。

　　控制接口：控制接口是CMOS嗎？如果不是，將需要額外的電路來連接前端模塊和IC。

　　偏置電壓：前端模塊需要偏置電壓嗎？若需要，則常常需要外置調節(jié)器來提供典型范圍在 2.7 到 2.9V 之間的偏置電壓，并利用額外的晶體管電路來啟動偏置電壓或使之失效。除了尺寸和成本外， 前端模塊 (FEM) 的性能也直接與偏置電壓相關，后者會隨溫度和電壓而變化。

　　電流消耗

　　盡管開發(fā)人員可能認為電流消耗和外形尺寸沒有關聯(lián)，但事實上由前端模塊電流消耗所引起的三個問題中，有兩個都與外形尺寸有直接關系。

一直以來，電流消耗都和電池壽命有關。產品開發(fā)人員希望以最低的電流消耗獲得最高的功率，有時甚至愿意接受稍低的輸出功率，以換取延長10% 的電池使用壽命。同樣的問題也存在于 MIMO 應用中，只是情況更甚，因為這些應用里有兩個完整的發(fā)射鏈路同時工作。這意味著前端模塊供應商必須開發(fā)出更高效、更低電流消耗的模塊來滿足 MIMO 市場的需要。若 MIMO 進入 PDA、手機和游戲機等電池更小的嵌入式應用領域，這將變得更為關鍵。

雖然電池壽命很重要，但開發(fā)高效前端模塊另一個更重要的原因，是外形尺寸標準清楚限定了有多少功率提供給PCI卡。在原有的 802.11 a/b/g 標準下，這些卡所消耗的電流與這些規(guī)格所限的相距甚遠。不過，隨著工藝技術不斷提高，而 MIMO系統(tǒng)具有多個信道，PCI卡所消耗的電流可能已經(jīng)很接近、甚至超過了外形尺寸標準規(guī)定的限值。由于 PA 一般來說是電流消耗最大的器件，因此前端模塊供貨商面對著更大的壓力，必須推動技術和物理學的發(fā)展，以實現(xiàn)高效解決方案。

　　前端模塊

　　本身也設計 PA 和開關等組件的前端模塊制造商，能夠采用一些技術來讓匹配和偏置達到最佳化，把發(fā)射接收鏈路中的損耗減至最少。此外，他們也可以利用新的技術，以達到高集成度以實現(xiàn)這種小外形尺寸。這些技術都是目前市場上可見的組件所沒有的。

　　憑借一種經(jīng)全面測試而且能夠滿足高輸出功率、低EVM和低電流消耗要求的解決方案，單一前端模塊便可以解決前面討論過的所有系統(tǒng)問題，協(xié)助開發(fā)商加快產品面市的速度。由于這種前端模塊是經(jīng)過全面測試的解決方案，能夠取代約60個組件，因此終端產品的良率將得以提升。較之使用多個具有較低集成度的前端模塊，單一前端模塊具有更大的優(yōu)勢，因為每一個組件都有其禁止布線區(qū)域，組件越多需要占用的電路板面積也就越多。此外，一般而言，這些前端模塊的接腳與收發(fā)器界面成鏡像化 (mirror)，故限制了設備所能提供的規(guī)模經(jīng)濟效益。